玻璃鍍膜技術(shù)

　　1. 前言

　　玻璃的突出性能使它在建筑材料方面的應(yīng)用獨(dú)樹一幟，玻璃的批量生產(chǎn)、制成簡單和低成本是可以實(shí)現(xiàn)的，玻璃有非常強(qiáng)的環(huán)境穩(wěn)定性和抗劃傷性，可見光高透過率使之能真實(shí) 地反映外界環(huán)境。所有這些性能使玻璃在建筑和交通方面用量很大，并且，玻璃是現(xiàn)代重要的信息和通訊材料之一，TV屏幕和數(shù)據(jù)顯示市場的迅速增長要求在玻璃表面鍍制各種膜層。玻璃在許多方面的應(yīng)用并不完美，尤其是建筑方面。一方面，玻璃遠(yuǎn)紅外(室內(nèi)輻射)的低反射導(dǎo)致寒冷地區(qū)室內(nèi)熱量的不必要損失，另一方面，近紅外的高透過增加了炎熱地區(qū)的室內(nèi)熱量。

　　在可見光部分，玻璃的反射率是8.4%(單面4.2%)，這種反射在某些地方令人惱火，如：在許多地方不可少的光學(xué)棱鏡系統(tǒng)。

　　玻璃經(jīng)過精心的膜層設(shè)計(jì)，可以克服這些缺點(diǎn)，自70年代末以來，玻璃基體上大面積光學(xué)薄膜真空沉積技術(shù)穩(wěn)步增長，現(xiàn)在，世界范圍內(nèi)每年真空系統(tǒng)生產(chǎn)的用在建筑和汽車方面的玻璃的產(chǎn)量達(dá)1.2億平方米，是1992年的兩倍，主要應(yīng)用是Low-E和光控薄膜。自80年代末，鍍膜玻璃市場得到新的迅速增長：平板顯示器工業(yè)。高性能的透明導(dǎo)電ITO膜層是液晶顯示器制造的基礎(chǔ)。新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇顯露出來，如：用于太陽能電池的鍍鉻薄膜。這些應(yīng)用需要在大面積基片(最大達(dá)3.2m×6m)表面上快速、穩(wěn)定、均勻地沉積金屬氧化物和金屬氧化物/金屬鎳層。

　　由于磁控濺射徑向高的等離子密度和等離子分布一致性，使工業(yè)生產(chǎn)比較經(jīng)濟(jì)，且有良好的均勻性，因而磁控濺射成了大面積鍍膜的主導(dǎo)技術(shù)。然而它在絕緣材料沉積方面存在一些嚴(yán)重缺陷，在過去十年，反應(yīng)磁控濺射，如：SiO2、Si3N4和TiO2的沉積，經(jīng)歷了長期穩(wěn)定的發(fā)展，中頻反應(yīng)孿生靶濺射(TwinMag)可以沉積優(yōu)良的膜層。

　　2.1液晶顯示器(LCD)用ITO膜

　　制造LCD的重要、關(guān)鍵的過程之一是沉積ITO作為透明導(dǎo)電電極。 ITO沉積的關(guān)鍵因素如下： (1) 低電阻率(<150μΩ/cm)

　　(2) 高的縱向均勻性(Δd/d<±5%，d：厚度) (3) 低污染 (4) 低制造成本

　　高密度ITO靶濺射沉積是比較優(yōu)秀的沉積技術(shù)，為了得到最低的電阻率，玻璃基片要加熱到3800C，并且，通過降低陰極放電電壓，可以最低限度地減少負(fù)電荷的轟擊缺陷，從而提高電導(dǎo)率。使用強(qiáng)的永久磁體，可以實(shí)現(xiàn)放電電壓-240V，電導(dǎo)率120μΩ。 然而，彩色濾光片基片的沉積溫度是2000C以上，這對濾光材料的熱敏感性而言是不現(xiàn)實(shí)的。為了得到低的面電阻，必須進(jìn)一步降低放電電壓。此外，必須提高ITO靶材的利用率以降低生產(chǎn)成本。(標(biāo)準(zhǔn)磁控的靶材利用率為22-25%)。上述兩個(gè)要求促使電源DC+RF驅(qū)動(dòng)的MoveMag陰極的發(fā)展。

　　2.1液晶顯示器(LCD)用ITO膜

　　制造LCD的重要、關(guān)鍵的過程之一是沉積ITO作為透明導(dǎo)電電極。 ITO沉積的關(guān)鍵因素如下： (1) 低電阻率(<150μΩ/cm)

　　(2) 高的縱向均勻性(Δd/d<±5%，d：厚度) (3) 低污染 (4) 低制造成本

　　高密度ITO靶濺射沉積是比較優(yōu)秀的沉積技術(shù)，為了得到最低的電阻率，玻璃基片要加熱到3800C，并且，通過降低陰極放電電壓，可以最低限度地減少負(fù)電荷的轟擊缺陷，從而提高電導(dǎo)率。使用強(qiáng)的永久磁體，可以實(shí)現(xiàn)放電電壓-240V，電導(dǎo)率120μΩ。 然而，彩色濾光片基片的沉積溫度是2000C以上，這對濾光材料的熱敏感性而言是不現(xiàn)實(shí)的。為了得到低的面電阻，必須進(jìn)一步降低放電電壓。此外，必須提高ITO靶材的利用率以降低生產(chǎn)成本。(標(biāo)準(zhǔn)磁控的靶材利用率為22-25%)。上述兩個(gè)要求促使電源DC+RF驅(qū)動(dòng)的MoveMag陰極的發(fā)展。

　　為了維持使用過程中ITO性能的穩(wěn)定，在ITO層和玻璃基體之間沉積SiO2阻擋層。通常用RF濺射或TwinMag沉積SiO2。

　　圖2給出了LCD用SiO2-ITO垂直在線連鍍系統(tǒng)，鍍膜寬度為500-1600mm，雙面陰極濺射可以使產(chǎn)能翻倍。基片裝在U型支架上，支架通過中心加熱板時(shí)，被同時(shí)加熱。產(chǎn)能取決于膜層寬度和陰極數(shù)量，寬830mm，單面6陰極(SiO22個(gè)，ITO4個(gè))，年產(chǎn)量(24hr×22day×12month)大約400，000m2。

　　2.2 低輻射玻璃和光控薄膜

　　玻璃輻射系數(shù)為ε=0.85，不能反射紅外輻射，沉積上導(dǎo)電層，如：ITO、SnO2或金屬，可以減小ε。現(xiàn)在幾乎所有的低輻射玻璃都以銀膜為基礎(chǔ)，為了得到可見光高透過率、保護(hù)銀膜，需要增加額外的減反膜和高折射保護(hù)材料(如：SnO2、ZnO、Si3N4、TiO2)，Blocker膜可以進(jìn)一步保護(hù)銀膜。不同的設(shè)計(jì)有很大變化，最簡單的模式如下：玻璃-SnO2(40nm)-Ag(10nm)-NiCrOx(1.5nm)-SnO2(40nm)。

　　在雙面系統(tǒng)中，在玻璃內(nèi)層鍍膜。圖3給出了典型的LowE玻璃鍍膜前后光學(xué)性能對比。現(xiàn)在，銀基LowE玻璃輻射系數(shù)可降為ε=0.04，用k表示單位面積，溫度變化1K時(shí)的熱損失。表3給出了玻璃鍍膜前后熱損失對比。

　　真空沉積LowE玻璃的優(yōu)秀性能使之成為當(dāng)前玻璃鍍膜領(lǐng)域的主流技術(shù)，全世界每年的鍍膜玻璃產(chǎn)量達(dá)2億m2，其中真空鍍膜LowE玻璃大約占30%。最大的在線鍍膜系統(tǒng)45秒生產(chǎn)3.2m×6m，年產(chǎn)量800萬m2。

　　光控膜系統(tǒng)包括吸收、反射材料(如：CrNx、TiNx、FeNx)和高折射材料(如：SnO2)，典型的系統(tǒng)如下：玻璃-SnO2(10-100nm)-CrNx(10-30nm)-SnO2(10-30nm)在雙面系統(tǒng)中，光控膜鍍在玻璃的內(nèi)層，依照第一層SnO2的厚度，可以呈現(xiàn)許多顏色如：灰色、銀色、青銅色、藍(lán)色或藍(lán)綠色。金屬鎳層的厚度決定了總太陽能的透過率，光控膜由遮蓋系數(shù)SC來定性，SC=g/g0，其中g(shù)=鍍膜玻璃的總太陽能透過率，g0=未鍍膜玻璃的總太陽能透過率為0.87(玻璃厚度為3mm)，典型的SC值為0.2-0.4。 2.3 陰極射線管(CRT)用抗靜電減反膜(ARAS)

　　在可見光范圍內(nèi)，寬頻減反膜(AR)將反射率降至0.1-0.3%，減反效果由光通過折射系數(shù)不同的材料引起的干涉產(chǎn)生的。

　　在過去的數(shù)十年中，AR膜得到廣泛應(yīng)用，除了在光學(xué)器件、眼鏡、展示臺(tái)和建筑材料中，在TV顯示屏(CRT)和平板顯示器中的應(yīng)用也穩(wěn)步增長。

　　為了減少CRT的電磁輻射，AR膜必須復(fù)合上透明導(dǎo)電膜，形成抗靜電減反(ARAS)膜系，抗靜電減反膜(ARAS)也可以減少灰塵的堆積。

　　通常，減反膜使用高低折射率的多層膜體系，經(jīng)過精心的選擇，低折射率的用SiO2(n=1.46)，高折射率的用TiO2(n=2.20-2.50)。磁控濺射在沉積介質(zhì)膜方面的進(jìn)步使之可以在CRT和大面積平板玻璃上沉積高性能的AR和ARAS膜